納米SiO2 對水泥剪切強(qiáng)度及漿液流變性質(zhì)影響的試驗研究

姜崇揚，王連國，李文帥，王 斌

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

為了提高巷道圍巖抗剪切性能，普通硅酸鹽水泥已廣泛應(yīng)用于深部地下工程注漿加固[1]。與淺部開采相比，深部開采的顯著特征之一是強(qiáng)烈的采礦擾動[2]。在深部強(qiáng)采動影響下，巷道圍巖注漿支護(hù)較為困難，給深部資源的安全綠色開采帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3]。在礦山深部巷道中，注漿加固后的裂隙巖體通常處于剪切應(yīng)力狀態(tài)[4-8]。因此，在地下開挖工程中，漿液結(jié)石體的抗剪性能一直是研究的重點。Chen 等[9]采用直剪試驗研究了不同恒定法向荷載和恒定剛度下普通水泥結(jié)石體的剪切行為。Nasir 和Fall[10]通過一系列養(yǎng)護(hù)齡期為1～28 d 的直剪試驗，研究了膠結(jié)膏體充填體與巖石的界面抗剪強(qiáng)度行為。同時考慮到巷道快速掘進(jìn)的要求，迫切需要提高漿液結(jié)石體的早期強(qiáng)度。目前，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，具有高比表面積及活性的納米顆粒正逐漸應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域[11]。已有研究表明納米SiO2對水泥砂漿或混凝土的力學(xué)性能有明顯改善[12-13]，添加納米SiO2顆粒的水泥漿液或混凝土早期和長期抗壓強(qiáng)度[14-15]以及水化反應(yīng)速度[16]均有增加。據(jù)此，侯學(xué)彪等[17]研究了納米SiO2對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。Arel 和Shaikh[18]評價了納米SiO2和粉煤灰對粉煤灰砂漿力學(xué)性能和耐久性的影響。盡管加入納米SiO2的水泥砂漿或混凝土增加了拌合物的需水量[19]，但添加減水劑可以有效地提高其流動性[20-22]。然而，目前的研究主要集中在添加納米顆粒的混凝土或水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度上，針對添加納米顆粒的水泥漿液結(jié)石體的抗剪強(qiáng)度研究較少。

基于此，對3 d 養(yǎng)護(hù)條件下、水灰比為1.0 的水泥結(jié)石體試件進(jìn)行了一系列恒定法向應(yīng)力條件下的直剪試驗，研究了添加納米SiO2對漿液結(jié)石體剪切變形、剪切強(qiáng)度參數(shù)等的影響規(guī)律。此外，考慮到納米SiO2的加入可能會降低漿液流動性，因此還研究了減水劑對含納米SiO2水泥漿液的流變特性影響規(guī)律，以期獲得高流動性的水泥漿液。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗所用水泥選擇強(qiáng)度等級為42.5 MPa 的普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），水泥品質(zhì)滿足GB 175—2007 中國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。此外，納米SiO2由上海科研有限公司提供，納米SiO2粒徑為（30±5）nm，比表面積為150～300 m2/g。納米SiO2具體參數(shù)表1。

表1 納米SiO2 特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of nano-sio2

1.2 漿液及試樣制備

為了評價納米SiO2的添加對水泥結(jié)石體試件早期抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，本次研究選用水灰比為1.0 的純水泥漿液（P.O 42.5），并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0 %的納米SiO2顆粒。此外，還選用了1 種商用的減水劑（SP）來提高水泥漿液的流動性。不同的漿液配比見表2，將制備好的不同配比的水泥漿液倒入50 mm 立方體模具，待水泥硬化后，從模具中取出試件，并在20 °C 的溫度和相對濕度為95 %的條件下養(yǎng)護(hù)3 d。

表2 不同漿液的配比Table 2 Different proportions of slurry

1.3 試驗裝置

直剪試驗系統(tǒng)由電液伺服控制加載系統(tǒng)和剪切盒組成，電液伺服控制加載系統(tǒng)可提供2 000 kN 的最大法向載荷和300 kN 的最大剪切載荷。固定在活塞桿上的位移傳感器用于監(jiān)測試驗期間試樣的位移。剪切盒由2 個L 形楔形體框架組成，2 個剪切框架完全分離，相互沒有摩擦。在試驗過程中，試樣的中心、剪切框架的2 個L 形楔形體和剪切加載活塞桿的軸向方向保持在同一軸向上，直剪試驗系統(tǒng)示意圖如圖1。

1.4 試驗方案

為了研究不同水泥結(jié)石體試樣的剪切行為，利用直剪試驗系統(tǒng)，進(jìn)行4 種（0.5、1.0、1.5、2.0 MPa）恒定法向應(yīng)力條件下的直剪試驗。試驗開始前，將凡士林和硬脂酸按照1∶1 比例混合后涂抹到各個接觸表面上，以減少剪切裝置和試樣之間的摩擦。試驗時，首先法向加載系統(tǒng)按照應(yīng)力控制加載方式，加載至預(yù)定的法向荷載，并使法向荷載保持恒定；然后，切向加載系統(tǒng)按照位移控制加載方式，以v=0.12 mm/min 的恒定加載速率施加剪切力對結(jié)石體試樣進(jìn)行剪切試驗，直至試樣破壞。在整個試驗過程中，試驗系統(tǒng)實時記錄試樣的剪切位移、剪切載荷等試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔時間為1 s。為了降低試驗結(jié)果的離散性，對每種法向荷載條件下的結(jié)石體試樣進(jìn)行3 次重復(fù)試驗。

圖1 直剪試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the direct shear test system

為進(jìn)一步研究納米SiO2顆粒和不同減水劑添加量對漿液流變性能的影響規(guī)律，利用ZNN-D6X旋轉(zhuǎn)黏度計分別在600、300、200、100、6、3 r/min 剪切轉(zhuǎn)速下測定不同漿液的流變參數(shù)，以期獲得高流動性漿液。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

在直接剪切試驗中研究了納米SiO2對養(yǎng)護(hù)3 d后水泥結(jié)石體試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。不同恒定法向荷載下直剪試驗獲得的不同水泥結(jié)石體試樣的剪切應(yīng)力τ-剪切位移u 曲線（τ-u）如圖2。從圖2中可以看出，2 種試件均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加而逐漸增大。在初始壓縮之后，剪切應(yīng)力急劇增加，直至達(dá)到峰值，之后其表現(xiàn)為應(yīng)變軟化階段。在相同的法向應(yīng)力作用下，含納米SiO2的漿液結(jié)石體τ-u 曲線呈現(xiàn)上升的趨勢。此外，隨著法向應(yīng)力的增加，結(jié)石體強(qiáng)度也相應(yīng)增加，這是因為法向應(yīng)力的增加導(dǎo)致顆粒之間的孔隙度降低，導(dǎo)致了更高的剪切強(qiáng)度。

2.2 剪切強(qiáng)度特征

圖2 不同水泥結(jié)石體τ-u 關(guān)系曲線Fig.2 Different cement stone body τ-u relation curves

根據(jù)圖2 中試樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，進(jìn)一步獲得的P.O 42.5 和NSP.O 42.5 2 種試樣的剪切強(qiáng)度見表3。

表3 不同恒定法向應(yīng)力(σ)下添加和不添加納米SiO2 的水泥結(jié)石體試樣的剪切強(qiáng)度(τe)和平均剪切強(qiáng)度(τp)Table 3 Shear strength of cement stone body specimen and average shear strength with and without nano - SiO2 under different constant normal stresses

從表3 可以看出，在同一法向應(yīng)力條件下，NSP.O 42.5 試樣的剪切強(qiáng)度相對高于P.O 42.5。在2.0 MPa 的法向應(yīng)力條件下，NSP.O 42.5 試樣的平均剪切強(qiáng)度相比于P.O 42.5 試樣增加了約7.7 %，這表明添加3.0 %的納米SiO2可以有效提高水泥結(jié)石體試樣早期的剪切強(qiáng)度。此外，剪切強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增加而增加。

根據(jù)表3 中的試驗數(shù)據(jù)得到的P.O 42.5 和NSP.O 42.5 2 種試樣平均剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系如圖3，2 種試樣的剪切強(qiáng)度隨正應(yīng)力均表現(xiàn)為近似線性變化趨勢。

圖3 P.O 42.5 和NSP.O 42.5 試樣的平均剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between average shear strength and normal stress of P.O 42.5 and NSP.O 42.5 samples

利用Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則可以較好地擬合其剪切強(qiáng)度τp：

式中：c 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角；σ 為法向應(yīng)力。

對于2 條擬合線，R2大約在0.98 到0.99 之間。2 種試樣的剪切強(qiáng)度參數(shù)（c 和φ）如圖3。

從圖3 可以看出，隨著納米SiO2的加入，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有所增加。較P.O 42.5 試樣而言，NSP.O 42.5 試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別增加了8.2 %和4.1 %，這說明添加3.0 %的納米SiO2能夠有效地提高水泥結(jié)石體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。這主要是由于納米SiO2顆粒小，并且具有較大的比表面積，能夠有效參與水化反應(yīng)，填充于水泥顆粒之間，減少了游離水和水泥顆粒之間的體積，從而提高了結(jié)石體黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 流變性質(zhì)

盡管添加納米SiO2顆粒能夠有效地促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，并提高結(jié)石體試樣剪切強(qiáng)度，但納米SiO2顆粒的添加同時也增加了漿液的黏度，降低了漿液的流動性[23]。已有研究表明，添加減水劑可以有效地提高漿液流動性。

200 r/min 轉(zhuǎn)速下添加不同含量減水劑的2 種漿液的初始表觀黏度如圖4。從圖中可以看出，添加減水劑后的漿液初始表觀黏度均明顯降低。隨著減水劑含量的增加，2 種漿液初始表觀黏度整體均呈下降趨勢，并逐漸趨于穩(wěn)定。對于P.O 42.5 水泥漿液而言，當(dāng)減水劑用量增加到0.75%時，漿液的初始表觀黏度基本穩(wěn)定在6.09 mPa·s，較無減水劑時降低了約42.8 %。添加納米SiO2且不添加減水劑的情況下，漿液黏度比P.O 42.5 增加了約2 倍，這表明含納米SiO2的漿液需要添加更多含量的減水劑以降低漿液黏度。添加1.5 %含量減水劑后，NSP.O 42.5 漿液初始表觀黏度達(dá)到最低，約為10.66 mPa·s。添加最優(yōu)含量減水劑后，NSP.O 42.5 漿液表觀黏度約為P.O 42.5 漿液的1.75 倍，與純水泥漿液接近。

圖4 不同含量減水劑下的2 種水泥漿液初始表觀黏度Fig.4 Initial apparent viscosity of two kinds of cement slurry with different contents of water-reducing agent

漿液一般被認(rèn)為是非牛頓流體，據(jù)此可以對漿液流變數(shù)據(jù)進(jìn)行Bingham 塑性模型擬合：

式中：τr為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；μp為塑性黏度，Pa·s；γ 為剪切速率，s-1。

P.O 42.5 和NSP.O 42.5 2 種漿液的剪切應(yīng)力-剪切速率擬合關(guān)系曲線如圖5，圖5 同時也給出了上述2 種漿液添加最優(yōu)減水劑含量的剪切應(yīng)力和剪切速率擬合曲線。不同漿液流變參數(shù)及擬合曲線相關(guān)系數(shù)見表4，相關(guān)系數(shù)在0.96～1.0 之間，顯示了較好的擬合結(jié)果。

圖5 不同漿液剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between shear stress and shear rate of different slurry

表4 不添加和添加最佳含量減水劑的漿液的流變參數(shù)Table 4 Rheological parameters of the slurry without and with the optimal content of water reducer

在不添加減水劑的情況下，添加納米SiO2顆粒會顯著增加漿液的屈服應(yīng)力和塑性黏度，降低漿液流動性。對于純水泥漿液（P.O 42.5），加入納米SiO2后（NSP.O 42.5），屈服應(yīng)力和塑性黏度分別增加了約4.85 倍和66.7%。2 種漿液分別添加最優(yōu)含量的減水劑后，漿液的流變參數(shù)均顯著降低，特別是對于含納米SiO2的漿液。相比NSP.O 42.5 漿液，NSP.O 42.5-SP1.5 漿液屈服應(yīng)力和塑性黏度分別降低了約93.6 %和33.3 %。可以得出結(jié)論，添加1.5 %含量的減水劑可顯著降低含納米SiO2顆粒的漿液流變參數(shù)，在提高剪切強(qiáng)度的情況下，同時提高了漿液流動性和可注性。

4 結(jié) 論

1）結(jié)石體試樣剪切應(yīng)力隨剪切位移的增加逐漸增大，直至達(dá)到峰值應(yīng)力，然后表現(xiàn)為應(yīng)變軟化階段，含納米SiO2的試樣的τ-u 曲線比純水泥試樣呈現(xiàn)出上升的趨勢。

2）添加3.0 %納米SiO2可以提高結(jié)石體試樣的早期抗剪強(qiáng)度參數(shù)。相同法向應(yīng)力條件下（2.0 MPa），NSP.O 42.5 試樣剪切強(qiáng)度較P.O 42.5 試樣增加了約7.7 %。與P.O 42.5 的試樣相比，NSP.O 42.5的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別提高了約8.2 %和4.1 %。

3）對于純水泥漿液和添加納米SiO2的漿液，分別獲得了最優(yōu)的減水劑添加量為0.75 %和1.5 %。對于添加納米SiO2的漿液，添加1.5 %含量的減水劑可顯著降低漿液流變參數(shù)，在提高結(jié)石體強(qiáng)度的情況下，同時提高了漿液流動性和可注性。